JP2009070919A - プラズマ酸化処理方法およびシリコン酸化膜の形成方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 酸素およびArを含有する処理ガスのプラズマにより、p型拡散領域103とn型拡散領域105とを、それぞれ異なる酸化レートで酸化処理する。p型拡散領域103の表面には膜厚T1の厚膜部107aが形成され、n型拡散領域105の表面には、厚膜部107aよりも薄い膜厚T2の薄膜部107bが形成される。
【選択図】図3
Description
すなわち、従来技術でnチャネル形成領域(導電型はp型)とpチャネル形成領域(導電型はn型)に膜厚の異なるシリコン酸化膜を形成するためには、一旦これらの領域にシリコン酸化膜を形成した後、酸化膜を厚く形成したい方の領域に選択的にフォトレジストマスクを形成し、それ以外の部分の酸化膜を、希フッ酸(HF)水溶液を用いたウェットエッチングによって除去し、その後でもう一度酸化処理を行って薄い酸化膜を形成する、という複雑な工程が必要であった。このようにゲート酸化膜の形成工程が複雑になると、コスト高になるとともに、プロセス上のクロスコンタミネーションが発生しやすくなり、トランジスタ性能の安定性や信頼性を低下させてしまうおそれがある。
プラズマ処理装置の処理室内に、酸素含有化合物および不活性ガスを含有する処理ガスを導入する工程と、
複数の孔を有する平面アンテナによって前記処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させる工程と、
前記プラズマにより、シリコン層の表面を酸化処理するプラズマ酸化処理工程と、
を備えたプラズマ酸化処理方法であって、
前記シリコン層には、第1の導電型を有する第1の領域と、前記第1の導電型とは反対の導電型である第2の導電型を有する第2の領域とがそれぞれ表面に露出して設けられており、前記第1の領域と前記第2の領域とを、それぞれ異なる酸化レートで酸化処理することを特徴とする。
プラズマ処理装置の処理室内に、酸素含有化合物および不活性ガスを含有する処理ガスを導入する工程と、
複数の孔を有する平面アンテナによって前記処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させる工程と、
前記プラズマにより、シリコン層の表面を酸化処理するプラズマ酸化処理工程と、
を備えたプラズマ酸化処理方法であって、
前記シリコン層には、第1の導電型を有する第1の領域と、前記第1の導電型とは反対の導電型である第2の導電型を有する第2の領域とが、それぞれ表面に露出して設けられており、
前記プラズマ酸化処理工程は、前記第1の領域に対する酸化レートが、前記第2の領域に対する酸化レートに比べて大きくなるように酸化処理を行う第1の酸化処理工程と、
前記第1の酸化処理工程の後に、前記第1の領域に対する酸化レートと前記第2の領域に対する酸化レートが同程度となるように酸化処理を行う第2の酸化処理工程と、
を含むことを特徴とする。
nチャネルトランジスタとpチャネルトランジスタとを備えたCMOS素子の製造方法であって、
シリコン層に、第1の導電型を有する第1の領域と、前記第1の導電型とは反対の導電型である第2の導電型を有する第2の領域と、をそれぞれ形成する工程と、
前記第1の領域と前記第2の領域の表面に、それぞれシリコン酸化膜を形成するシリコン酸化膜形成工程と、
前記第1の領域に形成されたシリコン酸化膜および前記第2の領域に形成されたシリコン酸化膜より上層に、それぞれゲート電極を形成する工程と、
を備え、
前記シリコン酸化膜形成工程は、
プラズマ処理装置の処理室内に、酸素含有化合物および不活性ガスを含有する処理ガスを導入する工程と、複数の孔を有する平面アンテナによって前記処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させる工程と、前記プラズマにより、シリコン層の表面を酸化処理するプラズマ酸化処理工程と、を有しており、前記第1の領域と前記第2の領域とを、それぞれ異なる酸化レートで酸化処理するものであること、を特徴とする。
コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶された記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、プラズマ処理装置の処理室内でプラズマ酸化処理方法が行われるように、前記プラズマ処理装置を制御するものであり、
前記プラズマ処理方法は、
前記処理室内に酸素含有化合物および不活性ガスを含有する処理ガスを導入する工程と、複数の孔を有する平面アンテナによって前記処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させる工程と、前記プラズマにより、シリコン層の表面を酸化処理するプラズマ酸化処理工程と、を備え、前記シリコン層の表面に設けられた、第1の導電型を有する第1の領域と、前記第1の導電型とは反対の導電型である第2の導電型を有する第2の領域とを、それぞれ異なる酸化レートで酸化処理してシリコン酸化膜を形成するものであること、を特徴とする。
プラズマを用いて被処理体を処理するための処理室と、
前記処理室内にマイクロ波を導入するための、複数の孔を有する平面アンテナと、
前記処理室内にガスを供給するガス供給機構と、
前記処理室内を減圧排気する排気機構と、
前記処理室内に酸素含有化合物および不活性ガスを含有する処理ガスとマイクロ波とを導入してプラズマを生成させ、シリコン層の表面に設けられた第1の導電型を有する第1の領域と、前記第1の導電型とは反対の導電型である第2の導電型を有する第2の領域とを、それぞれ異なる酸化レートで酸化処理するように制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図1〜図3は、本発明の第1の実施の形態に係るプラズマ酸化処理方法の概要を示す説明図である。図1に示したように、シリコン層101上には、第1の導電型を有する第1の領域としてp型不純物がドープされたp型拡散領域103と、第2の導電型を有する第2の領域としてn型不純物がドープされたn型拡散領域105と、が形成されている。p型不純物としては、例えばホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)などの3価の元素を挙げることができる。n型不純物としては、例えばリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)などの5価の元素を挙げることができる。なお、p型拡散領域103およびn型拡散領域105は、共に不純物の濃度分布を有していてもよい。
本実施の形態では、p型拡散領域103における不純物(例えばホウ素)の濃度が、1×1016cm−3〜5×1018cm−3の範囲内であり、n型拡散領域105として、不純物(例えばリン)の濃度が、1×1016cm−3〜5×1018cm−3の範囲内である場合を例に挙げて説明する。
従来のプラズマ酸化処理は、プラズマ中のラジカル密度を高めて、ラジカル主体の酸化処理を行うことにより、ウエハWの面内で均一なシリコン酸化膜を形成することを目標としてきた。従って、ウエハWの面内で部位によって積極的に酸化レートを変え、異なる膜厚のシリコン酸化膜を形成する手法については検討されてこなかった。本発明者らは、複数のマイクロ波放射孔32を有する平面アンテナ31によってチャンバー1内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させる方式のプラズマ処理装置100において、特定のプラズマ生成条件を選択することにより、シリコンに形成された導電型が異なる複数の領域において、酸化レートに差が生じることを発見した。このように、酸化レートに差が生じる原因は未だ明らかではないが、以下のように推測される。シリコンの導電型の相違によって各領域におけるシリコンの極性に相違が生じる。この極性の相違によって、p型拡散領域103の方がn型拡散領域105に比べてわずかに酸化されやすい状態になる。この「酸化されやすさ」のわずかな違いが酸化レートの差として際立って現れるのは、弱い酸化力の限られた酸化処理条件で酸化処理を行う場合である。
すなわち、従来技術で一つのウエハWに形成されたp型拡散領域とn型拡散領域にそれぞれ膜厚の異なるシリコン酸化膜を形成するためには、これらの領域に一旦シリコン酸化膜を形成した後、酸化膜を厚く形成したい方の領域に選択的にフォトレジストマスクを形成し、それ以外の部分の酸化膜を、希フッ酸(HF)水溶液を用いたウェットエッチングによって除去し、その後でもう一度酸化処理を行って薄い酸化膜を形成する、という複雑な手順が必要であった。このようにフォトリソグラフィー技術を利用して膜厚差を持たせる場合には、レジスト塗布、露光、現像、エッチング、洗浄などの多くの工程が必要であり、さらに少なくとも2回の酸化処理工程が必要であった。これに対して、本実施の形態では、プラズマ酸化処理工程だけで、p型拡散領域とn型拡散領域にそれぞれ膜厚の異なるシリコン酸化膜を形成できることから、従来法に比べて工程数を大幅に削減できるという顕著な効果を奏する。そして、このようにして形成されたシリコン酸化膜を例えばCMOS素子のゲート絶縁膜として用いることで、簡単なプロセスでデバイス性能への悪影響を極力排除しながら、ゲート絶縁膜の膜厚設計の自由度を大きくすることが可能になる。
次に、図7〜図9を参照しながら、本発明の第2の実施の形態に係るプラズマ酸化処理方法について説明を行う。本実施の形態に係るプラズマ酸化処理方法では、主にp型拡散領域103が酸化される条件でプラズマ酸化処理を行った後、p型拡散領域103とn型拡散領域105の両方を酸化できる条件でプラズマ酸化処理を行う2ステップの酸化処理を行う点で、第1の実施の形態と異なる。従って、以下では、第1の実施の形態との相違点を中心に説明し、第1の実施の形態と同様の内容については、図示および説明を省略する。
本実施の形態では、p型拡散領域103における不純物(例えばリン)の濃度が、1×1016〜5×1018cm−3であり、n型拡散領域105として、不純物(例えばホウ素)の濃度が、1×1016〜5×1018cm−3である場合を例に挙げて説明する。
処理ガスとしては、希ガスとしてArガスを、酸素含有ガスとしてO2ガスをそれぞれ使用することが好ましい。このとき、Arガスに対するO2ガスの流量比(O2ガス流量/Arガス流量)は、プラズマ安定性を高める観点から、0.0025以上0.4以下の範囲内とすることが好ましい。例えば200mm径以上のウエハWを処理する場合には、Arガスの流量は500mL/min(sccm)以上2000mL/min(sccm)以下の範囲内、O2ガスの流量は5mL/min(sccm)以上200mL/min(sccm)以下の範囲内から、上記流量比になるように設定する。
なお、図7では、ステップS4の第1のプラズマ酸化処理工程およびステップS8の第2のプラズマ酸化処理工程を同一のチャンバー内で行うようにしたが、第1のプラズマ酸化処理工程と第2のプラズマ酸化処理工程を別チャンバーで実施することもできる。第1のプラズマ酸化処理工程と第2のプラズマ酸化処理工程を別チャンバーで実施する場合には、異なるギャップGで処理を行うことが容易になるという利点がある。
次に、本発明のプラズマ酸化処理方法を利用した半導体装置の製造例について説明する。図10〜図13は、本発明のプラズマ酸化処理方法を、nチャネルトランジスタとpチャネルトランジスタを備えたCMOS素子の製造過程でゲート絶縁膜の形成に適用した例を示している。
Claims (19)
- プラズマ処理装置の処理室内に、酸素含有化合物および不活性ガスを含有する処理ガスを導入する工程と、
複数の孔を有する平面アンテナによって前記処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させる工程と、
前記プラズマにより、シリコン層の表面を酸化処理するプラズマ酸化処理工程と、
を備えたプラズマ酸化処理方法であって、
前記シリコン層には、第1の導電型を有する第1の領域と、前記第1の導電型とは反対の導電型である第2の導電型を有する第2の領域とがそれぞれ表面に露出して設けられており、前記第1の領域と前記第2の領域とを、それぞれ異なる酸化レートで酸化処理することを特徴とするプラズマ酸化処理方法。 - 前記第1の領域における酸化レートは、前記第2の領域における酸化レートの1.2〜2.0倍であることを特徴とする請求項1に記載のプラズマ酸化処理方法。
- 前記第1の領域に形成されるシリコン酸化膜の膜厚は、前記第2の領域に形成されるシリコン酸化膜の膜厚に比べて1.2〜2.0倍であることを特徴とする請求項1に記載のプラズマ酸化処理方法。
- 前記酸素含有化合物が酸素であり、かつ前記不活性ガスがアルゴンであり、それらの流量比O2/Arが0.001以上0.2以下の範囲内であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のプラズマ酸化処理方法。
- 前記プラズマ酸化処理工程における処理圧力が1.3Pa以上6.7Pa未満の範囲内、または667Pa超1333Pa以下の範囲内のいずれかであることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のプラズマ酸化処理方法。
- 前記プラズマ酸化処理工程におけるマイクロ波のパワー密度が、0.08W/cm2以上0.42W/cm2未満の範囲内であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のプラズマ酸化処理方法。
- プラズマ処理装置の処理室内に、酸素含有化合物および不活性ガスを含有する処理ガスを導入する工程と、
複数の孔を有する平面アンテナによって前記処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させる工程と、
前記プラズマにより、シリコン層の表面を酸化処理するプラズマ酸化処理工程と、
を備えたプラズマ酸化処理方法であって、
前記シリコン層には、第1の導電型を有する第1の領域と、前記第1の導電型とは反対の導電型である第2の導電型を有する第2の領域とが、それぞれ表面に露出して設けられており、
前記プラズマ酸化処理工程は、前記第1の領域に対する酸化レートが、前記第2の領域に対する酸化レートに比べて大きくなるように酸化処理を行う第1の酸化処理工程と、
前記第1の酸化処理工程の後に、前記第1の領域に対する酸化レートと前記第2の領域に対する酸化レートが同程度となるように酸化処理を行う第2の酸化処理工程と、
を含むことを特徴とするプラズマ酸化処理方法。 - 前記第1の酸化処理工程において、前記第1の領域における酸化レートは、前記第2の領域における酸化レートの1.2〜2.0倍であることを特徴とする請求項7に記載のプラズマ酸化処理方法。
- 前記第1の酸化処理工程において、前記第1の領域に形成されるシリコン酸化膜の膜厚は、前記第2の領域に形成されるシリコン酸化膜の膜厚に比べて1.2〜2.0倍であることを特徴とする請求項7に記載のプラズマ酸化処理方法。
- 前記第1の酸化処理工程において、前記酸素含有化合物が酸素であり、かつ前記不活性ガスがアルゴンであり、それらの流量比O2/Arが0.001以上0.25以下の範囲内であるとともに、処理圧力が1.3Pa以上6.7Pa未満の範囲内、または667Pa超1333Pa以下の範囲内のいずれかであることを特徴とする請求項7から請求項9のいずれか1項に記載のプラズマ酸化処理方法。
- 前記第1の酸化処理工程において、マイクロ波のパワー密度が、0.08W/cm2以上0.42W/cm2未満の範囲内であることを特徴とする請求項7から請求項10のいずれか1項に記載のプラズマ酸化処理方法。
- 前記第2の酸化処理工程において、前記酸素含有化合物が酸素であり、かつ前記不活性ガスがアルゴンであり、それらの流量比O2/Arが0.0025以上0.4以下の範囲内であるとともに、前記第2の酸化処理工程の処理圧力が、6.7Pa以上667Pa以下の範囲内であることを特徴とする請求項7から請求項11のいずれか1項に記載のプラズマ酸化処理方法。
- 前記第2の酸化処理工程において、マイクロ波のパワー密度が、0.42W/cm2以上4.19W/cm2以下の範囲内であることを特徴とする請求項7から請求項12のいずれか1項に記載のプラズマ酸化処理方法。
- 前記第1の領域がp型拡散領域であり、前記第2の領域がn型拡散領域であることを特徴とする請求項1から請求項13のいずれか1項に記載のプラズマ酸化処理方法。
- 前記p型拡散領域におけるホウ素の濃度が1×1016〜5×1018cm−3の範囲内であり、前記n型拡散領域におけるリンの濃度が1×1016〜5×1018cm−3の範囲内であることを特徴とする請求項14に記載のプラズマ酸化処理方法。
- プラズマ処理装置の処理室内に、酸素含有化合物および不活性ガスを含有する処理ガスを導入する工程と、複数の孔を有する平面アンテナによって前記処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させる工程と、前記プラズマにより、シリコン層の表面を酸化処理するプラズマ酸化処理工程と、を備えたプラズマ酸化処理方法により、 前記シリコン層の表面に設けられた、第1の導電型を有する第1の領域と、前記第1の導電型とは反対の導電型である第2の導電型を有する第2の領域とを、それぞれ異なる酸化レートで酸化処理してシリコン酸化膜を形成することを特徴とするシリコン酸化膜の形成方法。
- nチャネルトランジスタとpチャネルトランジスタとを備えたCMOS素子の製造方法であって、
シリコン層に、第1の導電型を有する第1の領域と、前記第1の導電型とは反対の導電型である第2の導電型を有する第2の領域と、をそれぞれ形成する工程と、
前記第1の領域と前記第2の領域の表面に、それぞれシリコン酸化膜を形成するシリコン酸化膜形成工程と、
前記第1の領域に形成されたシリコン酸化膜および前記第2の領域に形成されたシリコン酸化膜より上層に、それぞれゲート電極を形成する工程と、
を備え、
前記シリコン酸化膜形成工程は、
プラズマ処理装置の処理室内に、酸素含有化合物および不活性ガスを含有する処理ガスを導入する工程と、複数の孔を有する平面アンテナによって前記処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させる工程と、前記プラズマにより、シリコン層の表面を酸化処理するプラズマ酸化処理工程と、を有しており、前記第1の領域と前記第2の領域とを、それぞれ異なる酸化レートで酸化処理するものであること、を特徴とするCMOS素子の製造方法。 - コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、プラズマ処理装置の処理室内でプラズマ酸化処理方法が行われるように、前記プラズマ処理装置を制御するものであり、
前記プラズマ処理方法は、
前記処理室内に酸素含有化合物および不活性ガスを含有する処理ガスを導入する工程と、複数の孔を有する平面アンテナによって前記処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させる工程と、前記プラズマにより、シリコン層の表面を酸化処理するプラズマ酸化処理工程と、を備え、前記シリコン層の表面に設けられた、第1の導電型を有する第1の領域と、前記第1の導電型とは反対の導電型である第2の導電型を有する第2の領域とを、それぞれ異なる酸化レートで酸化処理してシリコン酸化膜を形成するものであること、を特徴とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。 - プラズマを用いて被処理体を処理するための処理室と、
前記処理室内にマイクロ波を導入するための、複数の孔を有する平面アンテナと、
前記処理室内にガスを供給するガス供給機構と、
前記処理室内を減圧排気する排気機構と、
前記処理室内に酸素含有化合物および不活性ガスを含有する処理ガスとマイクロ波とを導入してプラズマを生成させ、シリコン層の表面に設けられた第1の導電型を有する第1の領域と、前記第1の導電型とは反対の導電型である第2の導電型を有する第2の領域とを、それぞれ異なる酸化レートで酸化処理するように制御する制御部と、
を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
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